光纤光谱仪的工作原理及配置选择考虑

在上世纪九十年代以来，微电子领域中的多象元光学探测器(例如CCD，光电二极管阵列)制造技术迅猛发展，使生产低成本扫描仪和CCD相机成为可能。我司的光谱仪使用了同样的CCD(CCD光谱仪)和光电二极管阵列探测器，可以对整个光谱进行快速扫描，不需要转动光栅。由于光纤的方便性，用户可以非常灵活的搭建光谱采集系统。

光纤光谱仪的优势在于测量系统的模块化和灵活性。微型光纤光谱仪的测量速度非常快，可以用于在线分析。而且由于采用了低成本的通用探测器，降低了光谱仪的成本，从而也降低了整个测量系统的造价。

光纤光谱仪的工作原理是怎样的呢?

用比较简单的表述就是，将被测光耦合到光谱仪中进行光谱分析，因为光纤的便利性，使用仪器的用户可以非常灵活的搭建光谱采集系统，实现测量系统的模块化和灵活性。

光纤光谱仪基本配置包括一个光栅，一个狭缝，和一个探测器。这些部件的参数在选购光谱仪时必须详细说明。光谱仪的性能取决于这些部件的精确组合与校准，校准后光纤光谱仪，原则上这些配件都不能有任何的变动。

那我们如何选择合适的光纤光谱仪配置呢？

光纤光谱仪光栅

光栅的选择取决于光谱范围以及分辨率的要求。对于光纤光谱仪而言，光谱范围通常在200nm-2500nm之间。由于要求比较高的分辨率就很难得到较宽的光谱范围;同时分辨率要求越高，其光通量就会偏少。对于较低分辨率和较宽光谱范围的要求，300线/mm的光栅是通常的选择。如果要求比较高的光谱分辨率，可以通过选择3600线/mm的光栅，或者选择更多像素分辨率的探测器来实现。

光纤光谱仪狭缝

较窄的狭缝可以提高分辨率，但光通量较小;另一方面，较宽的狭缝可以增加灵敏度，但会损失掉分辨率。在不同的应用要求中，选择合适的狭缝宽度以便优化整个试验结果。

光纤光谱仪探测器

探测器在某些方面决定了光纤光谱仪的分辨率和灵敏度，探测器上的光敏感区原则上是有限的，它被划分为许多小像素用于高分辨率或划分为较少但较大的像素用于高敏感度。通常背感光的CCD探测器灵敏度要更好一些，因此可以某个程度在不灵敏度的情况下获得更好的分辨率。

光纤光谱仪滤光片

由于光谱本身的多级衍射影响，采用滤光片可以降低多级衍射的干扰。和常规光谱仪不同的是，光纤光谱仪是在探测器上镀膜实现，此部分功能在出厂时需要安装就位。同时此镀膜还具有抗反射的功能，提高系统的信噪比。光谱仪的性能主要是由光谱范围、光学分辨率和灵敏度来决定。对以上其中一项参数的变动通常将影响其它的参数的性能。光谱仪主要的挑战不是在制造时使所有的参数指标达到最高，而是使光谱仪的技术指标在这个三维空间选择上满足针对不同应用的性能需求。这一策略使光谱仪能够满足客户以最小的投资获取最大的回报。这个立方体的大小取决于光谱仪所需要达到的技术指标，其大小与光谱仪的复杂程度以及光谱仪产品的价格相关。光谱仪产品应该完全符合客户所要求的技术参数。

光纤光谱仪光谱范围

光谱范围较小的光谱仪通常能给出详细的光谱信息，相反大范围光谱范围有更宽的视觉范围。因此光谱仪的光谱范围是必须明确指定重要的参数之一。影响光谱范围的因素主要是光栅和探测器，根据不同的要求来选择相应的光栅和探测器。

光纤光谱仪灵敏度

说起灵敏度，重要的是要区分开光度学中的灵敏度(光谱仪所能探测到的最小信号强度)还是化学计量学中的灵敏度(光谱仪能够测量到的最小吸收率差)。

a.光度灵敏度

对于如荧光等需要高灵敏度光谱仪的应用，我们建议选择采用冷型光纤光谱仪，而且还要选择探测器聚光透镜、金反射镜、较宽的狭缝(100μm或者更宽)，该型号可以采用长积分时间(从7毫秒到15分钟)来提高信号强度，并可以降低噪声和提高动态范围。

b.化学计量灵敏度

为了能探测出两个幅值很接近的吸收率数值，不但要求探测器的灵敏度高，还要求信噪比高。信噪比最高的探测器是冷型光纤光谱仪中的热电制冷型1024像素二维面阵CCD探测器，信噪比是1000：1。而通过多幅光谱图平均也可以提高信噪比，平均次数的增加，会导致信噪比以平方根的速度提高，比如，100次平均可以10倍提高信噪比，达到10000：1了。

光纤光谱仪分辨率

光学分辨率是衡量分光能力的重要参数。如果您需要很高的光学分辨率，我们建议您选择1200线/毫米或者更高线对数的光栅，同时选择窄狭缝和2048或3648像素的CCD探测器。

光纤光谱仪的运用还是很广泛的:

如农业、天文、汽车、生物、化学、镀膜、色度计量、环境检测、薄膜工业、食品、 宝石 检测、LED检测、印刷、造纸、喇曼光谱、半导体工业等。是“颜色测量”、“化学成分浓度测量”、“辐射度学分析”的重要工具。

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审核编辑：汤梓红